1、书 书 书华东师范大学出版社总主编: 李晓明副 总 主 编: 赵 健本 册 主 编: 沈富可本册副主编: 袁文铮编 写 人 员( 按姓氏笔画排序) :王婷婷 毛杰文 刘 欢 沈富可 张 俍 袁文铮责 任 编 辑: 王 健 竺 笑美 术 设 计: 储 平普通高中教科书 信息技术 选择性必修2 网络基础上海市中小学(幼儿园)课程改革委员会组织编写出版发行 华东师范大学出版社( 上海市中山北路3 6 6 3号)印 刷 上海昌鑫龙印务有限公司版 次 2 0 2 1年3月第1版印 次 2 0 2 1年3月第1次开 本 8 9 0毫米 1 2 4 0毫米 1/1 6印 张 8 . 2 5字 数 1 4 6
2、千字书 号 I S B N 9 7 8 7 5 7 6 0 0 5 5 0 9定 价 1 0 . 4 0元版权所有未经许可不得采用任何方式擅自复制或使用本产品任何部分违者必究如发现内容质量问题, 请拨打电话0 2 1 6 0 8 2 1 7 1 4如发现印、 装质量问题, 影响阅读, 请与华东师范大学出版社联系。电话: 0 2 1 6 0 8 2 1 7 1 1全国物价举报电话: 1 2 3 1 5声明 按照 中华人民共和国著作权法 第二十五条有关规定, 我们已尽量寻找著作权人支付报酬。著作权人如有关于支付报酬事宜可及时与出版社联系。本册教材图片提供信息: 本册教材中的部分图片由全景网、 视觉
3、中国等图片网站提供。华东师范大学出版社致同学们亲爱的同学们:当今, 信息技术发展日新月异, 物联网、 大数据、 人工智能等新技术、 新工具扑面而来, 显著地改变着人们的生活、 学习和工作模式。我们每一个人都不可避免地会接触信息技术, 应用信息技术, 甚至去创造新的信息技术。在具备了基本信息技术应用能力的基础上, 高中阶段我们要进一步学习信息技术的知识与技能, 利用信息技术负责任地解决生活与学习中的问题, 全面提升信息素养, 迎接信息社会的挑战。本书是普通高中信息技术课程中的选择性必修课程之一。为了增强学习的趣味性, 我们预设自己是中国科考队中的网络工程师, 需要在一个遥远的星球上建立起计算机网
4、络。同学们将跟随本书循序渐进地了解和掌握网络基础知识, 并通过各种项目任务、 项目活动丰富知识和提升技能。全书共分为六章。第一章“ 初识计算机网络” 介绍了计算机网络的发展历史、 网络类型, 以及协议和分层结构等基础网络知识; 第二章“ 走近真实网络” 介绍了网络传输介质、 网络设备与拓扑结构、 路由原理等知识; 第三章“ 网络传输与资源共享” 介绍了网络数据传输和网络资源共享等知识;第四章“ 网络中的安全问题” 介绍了网络安全意识和各类基础网络安全技术; 第五章“ 网络故障排查与修复” 介绍了网络软硬件故障及其基本处理方法; 第六章“ 物联网世界” 介绍了物联网的发展历史、 技术应用及创新服
5、务。通过对本书的学习, 希望同学们能够了解计算机网络的核心概念与发展历程, 了解常用网络设备的功能, 能通过网络命令查询网络及设备的工作状态、 发现联网故障, 认识到物联网对社会发展的影响, 能使用典型的网络服务解决生活与学习中的问题, 能利用信息技术分享网络资源, 同时能具备基本的网络应用安全意识。编者华东师范大学出版社目录目录第一章初识计算机网络 . . . 1项目主题认识计算机网络. . . 3第一节计算机网络发展和组成. . . 4第二节网络类型. . . 11第三节计算机网络中的协议与分层结构. . . 14第二章走近真实网络 . . . 19项目主题组建小型网络. . . 2 1第
6、一节网络传输介质. . . 2 2第二节网络设备与拓扑结构. . . 2 7第三节路由原理. . . 3 31 华东师范大学出版社网络基础第三章网络传输与资源共享 . . . 45项目主题探究数据传输过程. . . 47第一节传输层基本知识. . . 48第二节可靠的数据传输. . . 51第三节无连接的传输. . . 6 0第四节网络资源共享. . . 6 4第四章网络中的安全问题 . . . 7 5项目主题阻止“窃听者”. . . 7 7第一节网络安全意识. . . 7 8第二节网络安全技术. . . 8 32华东师范大学出版社目录第五章网络故障排查与修复 . . . 9 3项目主题网络故
7、障排查与修复. . . 9 5第一节故障处理基本方法. . . 9 6第二节计算机网络的硬件故障. . . 9 8第三节计算机网络的软件或协议故障. . . 10 2第六章物联网世界 . . . 10 7项目主题探究物联网系统及其应用. . . 10 9第一节物联网概述. . . 110第二节常用的物联网传输技术. . . 113第三节物联网应用实例与创新网络服务. . . 1183华东师范大学出版社网络基础附录常见网络拓扑符号及其含义. . . 12 1后记 . . . 12 34华东师范大学出版社第 一 章初识计算机网络本章学习目标描述计算机网络的定义, 列举计算机网络的主要组成元素, 举
8、例说明计算机网络对于人们生活的价值和意义。描述计算机网络的发展历史和发展趋势。区分计算机网络的不同类型。描述计算机网络中协议和“ 层” 模型的概念, 解释分层体系结构的意义。华东师范大学出版社网络基础计算机网络正在深刻地改变着人们的生活。过去, 处于相隔较远的两地的人们主要靠电话或信件进行交流, 而如今即便在偏远的乡村, 智能手机也逐渐普及, 人们可以随时随地通过手机上网, 和亲人以语音、 视频等方式互通消息; 在过去, 人们大多通过电视或报纸来获得最新的消息, 而现在, 只需要打开网页或是各种应用程序, 人们就可以便捷地了解到世界各地发生的事情; 过去, 来到一个陌生的城市, 人们大多依赖于
9、纸质地图或者找人问路来确定通往目的地的路径, 而现在, 许多人更习惯于打开手机上的地图应用程序进行导航。在当今社会, 人们正不断与计算机网络建立起更加深入、 广泛的连接关系。作为 2 1世纪的高中生, 我们有必要学习与探究计算机网络背后的科学原理。计算机网络究竟是什么样的事物, 它是怎么组成的, 它的运行原理是怎样的? 接下来, 就让我们带着这些问题出发, 一起去探究计算机网络这个神奇的世界吧。本章知识结构2华东师范大学出版社第一章初识计算机网络项目主题认识计算机网络项目情境未来某一天, 中国科考队肩负星际探索的使命, 抵达了一个遥远的星球, 开始建设适宜人类居住的环境。科考队成员们来自各行各
10、业, 包括医生、 建筑师、 网络工程师、 农业专家等。假设你就是科考队中的一名网络工程师, 你的任务是与团队成员一起努力, 在这个星球上建立起计算机网络, 让这个星球上的各个科考团队之间能够实现快速的信息交流。当然, 计算机网络的建设不是一蹴而就的。在探索这个星球的过程中, 不得不借助一些传统的通信手段, 并且需要使用一些口头的约定来传达信息。但不同团队之间有不同的通信约定, 反而导致了通信的混乱。为此, 你需要有一种统一的约定来保证不同团队之间都能够顺畅地传输信息。作为网络工程师, 你会如何思考这个问题呢?项目任务任务 1任务 2任务 3 通过查阅资料等方式, 梳理出: 计算机网络出现之前,
11、 人类使用的传统通信方式; 计算机网络自身的发展历程; 其中我国的成就与贡献。用思维导图的方式呈现以上内容。 根据科考队所面临的不同任务和条件,给出在该任务和条件下 应 该 使 用 的 网 络类型。 在没有依赖电力的电话、 计算机网络等通信手段的情况下, 设计一种能够保证两个科考团队顺畅通信的方法, 并以此解释“ 协议” 与“ 层” 的概念。3 华东师范大学出版社网络基础第一节计算机网络发展和组成本节首先回顾人类通信的发展历史, 认识计算机网络对通信的革命性影响, 了解计算机网络发展进程中的标志性事件, 并初步认识计算机网络的软硬件组成。体验思考从古到今, 人类的生活都与通信息息相关。通信的发
12、展也极大地促进了人类生产力的发展, 推动了社会的进步。在当今的信息社会, 每位中学生都需要认识和理解以计算机网络为代表的通信技术发展对人类社会所产生的重要影响。思考：在人类通信技术及计算机网络技术发展历程中, 有哪些标志性事件?一、 通信技术与计算机网络的发展历史1 . 从烽火狼烟到计算机网络数千年前的一天黄昏, 一位戍守边关的士兵, 焦急地在烽火台上燃起烟火, 向十里之外的另一个烽火台传递着敌情信息。战场瞬息万变, 谁掌握了最新的信息, 谁就获得了制胜的砝码。很显然, 上面这位士兵所做的, 就是要将信息以最快的方式发送出去。然而, 几千年来, 人们发送信息的方式也在不断地发生着变化,继烽火狼
13、烟之后, 又发明了飞鸽传书、 电报、 电话等种种通信的方法。随着经济社会的发展, 以烽火和信鸽为主要通信手段的时代已经一去不复返, 电报也早已退出了历史舞台。电话虽然还是人们生活中的一部分, 但或许已并非人们相互沟通的最主要渠道了。时间来到了今天 信息时代, 人们通信的方式又发生了重要的变化。以军事战场为例, 前线的士兵通过佩戴的联网电子设备拍摄下战场动态, 与此同时, 千里之外的指挥部大屏幕上, 就能够实时显示来自前线的实况影像, 使指挥官能够迅速做出战略判断。从烽火、 信鸽, 到电报、 电话, 再到计算机网络, 人与人之间传递信4华东师范大学出版社第一章初识计算机网络息的速度越来越快, 所
14、传递的信息量也越来越大( 如图1 . 1所示) 。计算机网络, 这个诞生于2 0世纪下半叶的新兴事物, 正在快速改变着人类所处的世界。2 . 计算机网络的诞生2 0世纪6 0年代, 出于军事方面的需要, 人们开始尝试将若干台计算机相互连接起来, 使这些计算机能够相互传输数据。阿帕网(A R P A n e t) 由此诞生, 成为互联网的前身。阿帕网最开始只有4个节点( 如图1 . 2所示) , 网络传输能力只有5 0K b p s(K b p s是一种网络传输速度的单位, 表示每秒传送多少千比特) , 按现在的标准来看这是“ 极慢” 的网速。1 9 7 2年, 阿帕网发展到大约1 5个节点。到
15、了2 0世纪7 0年代末, 大约有2 0 0台主机连接到了阿帕网。图 1 . 2 阿帕网( A RPA n e t )从2 0世纪7 0年代早期至中期, 除阿帕网之外的其他网络也应运而生, 其中包括了A L OHA n e t、 T e l e n e t、 T y m n e t、 T r a n s p a c等, 网络数量开始增长。计算机网络开始发挥更多的作用。1 9 7 3年, 罗伯特梅特卡夫(R o b e r t M e t c a l f e) 提出了一种被称为“ 以太网” (E t h e r n e t) 的通信原理及技术, 这一技术后来导致了局域网(L A N) 的爆发性增
16、长, 也使得以太网的技术快速更新( 详见本书第二章) 。此时, 开发一种将所有网络连接在一起的全面架构的时机已经悄悄成熟了。计算机网络即将步入快速发展的时期。5 图 1 . 1 从烽火狼烟到计算机网络华东师范大学出版社网络基础1 9 7 4年, 文顿瑟夫(V i n t o n C e r f) 和罗伯特卡恩(R o b e r t K a h n) 设计了一种“ 开放的网络架构” , 可以使不同环境中的计算机相互联系, 形成一个“ 网际网” 。这个“ 网际网” 就是现在的互联网(I n t e r n e t, 又称因特网) 。互联网在其诞生后迎来了快速发展。2 0世纪8 0年代, 连接到互
17、联网的主机数量不断增长, 但此时使用互联网的技术操作较为复杂,主要用户群体还是科研人员。1 9 8 9年, 蒂姆伯纳斯李(T i m B e r n e r s - L e e) 设计了万维网(w o r l d w i d e w e b, 简称WWW) , 它极大地降低了在网络上获取信息的技术门槛, 将互联网带入了每一个人的生活中( 详见本书第三章) 。自此以后, 互联网开始真正地走入了千家万户。在万维网的发展历程中, 出现了各种各样划时代的科技产品。1 9 9 4年, 网景公司推出了N e t s c a p e浏览器, 人们开始使用浏览器来访问网页, 获取各种信息和服务。同是1 9 9
18、 4年, 杨致远(J e r r y Y a n g) 和大卫费罗(D a v i d F i l o) 创立了雅虎, 开始面向大众提供搜索引擎、 电邮、 新闻等服务。各种各样的公司也开始通过互联网进行商业交易,1 9 9 5年, 杰夫贝佐斯(J e f f B e z o s) 创办了亚马逊公司, 开始通过网络销售商品。近年来, 我国的互联网产业也发展迅猛, 阿里巴巴、 腾讯、百度是其中有代表性的公司。从阿帕网到局域网, 再到互联网, 计算机网络已成为了日渐影响人类生产生活的重要工具。二、 走近计算机网络1 . 计算机网络组成在了解了计算机网络的发展历史后, 接下来要回答的问题是:什么是计算
19、机网络? 今天的计算机网络都包含了哪些基本的组件呢?（1） 网络硬件首先, 计算机网络离不开“ 计算机” 这个最为重要的组成单元。我们最为熟悉的计算机网络实例之一就是校园中的机房。在机房里, 一台台计算机通过网线连接在一起形成网络。同学们可以通过网络将作业提交给老师, 老师也可以通过网络将教师机的显示内容播放到学生机的屏幕上。现代社会中很多人都拥有智能手机和平板电脑, 可以随时随地6华东师范大学出版社第一章初识计算机网络图 1 . 3 可以连接到网络上的计算设备浏览网页、 收发邮件、 在线聊天等, 这些可以上网的设备也同样处于计算机网络之中。从这一角度出发, 计算机网络中的“ 计算机” 并不只
20、限于传统意义上的台式电脑, 而是一切可以连接到网络上的计算设备。比如, 日常生活中使用的笔记本电脑、 智能手机、 平板电脑、 智能手表、 智能摄像头、 智能电视、 智能扫地机器人等等, 都属于这一范畴。计算机与计算机的连接需要通过物理介质,这就是通信线路。例如, 在我们生活中常常可以见到网线, 它就是最常见的通信介质之一。现在, 许多人的家里都安装了无线路由器。当人们连接到互联网时, 连接计算机网络的并非只有网线, 路由器也是其中的一个部分。事实上, 一条网线最多只能将两台电脑连到一起, 这还算不上典型的“ 网” 。而只有在具备了路由器、 交换机这样的“ 枢纽” 条件下, 这些设备才能够通过网
21、线连接到一起, 变得像是一张真正的“ 网” 。( 路由器、交换机详见本书第二章)由此可知, 在计算机网络中, 除计算机外, 还包括各种各样的传输介质和设备( 如网线、 交换机、 路由器等) , 它们共同协作, 在通信过程中发挥了各自的功能, 与计算机一起并称为“ 网络硬件” 。因此, 在计算机网络中, 硬件是计算机、 网络设备和传输介质等物理装置的总称。（2 ） 网络软件计算机与计算机的连接还需要一些功能程序, 即“ 软件” 。许多同学都有过在电脑或者手机上使用聊天软件, 向朋友发送文字、 图片或视频的切身体验, 这些软件工具也是计算机网络中的一个组成部分。通过软件, 人们才能更好地利用计算机
22、网络。软件不仅包含人们经常使用的各种网络上的应用软件, 还包括了网络通信协议、 网络管理软件、 网络操作系统等。其中, 网络操作系统(n e t w o r k o p e r a t i o n s y s t e m, 简称N O S) 是一种重要的网络软件,它提供了基础的平台和环境, 使得人们能够更加方便地使用网络上的各种功能应用。网络操作系统支持网络文件管理、 网络安全管理、 网络可靠性措施、 多种网络协议、 网络资源管理和网络服务管理等特 性。早 期 的 操 作 系 统 被 称 为 单 机 操 作 系 统, 如M S - D O S、W i n d o w s 3 . x等并不支持上
23、述功能。现在人们常用的操作系统, 如W i n d o w s、L i n u x、i O S、 安卓等都支持上述网络功能, 因此它们都属于网络操作系统。7 华东师范大学出版社网络基础综上所述, 计算机网络就是将不同的计算机, 通过通信线路( 如网线等) 和通信设备( 如交换机、 路由器等) 连接起来, 在软件( 各种应用软件、 通信协议等) 的作用下, 实现信息传递的一种系统。2 . 计算机网络对现代社会的意义（1） 计算机网络与人们的生活计算机网络所带来的技术变革, 在较短的时间内极大地提升了社会生产力, 改变了人们工作、 生活的方式。计算机网络最重要的特征是连通性和共享。如今, 小到一条
24、短信, 大到一套图书、 一系列视频, 都可以通过网络快速便捷地传递。计算机网络促进了信息资源的共享。足不出户而知天下事, 在今天成为了现实。通过网络, 我们不仅可以分享文字、图片、 音频、 视频等, 还可以分享计算机软件, 甚至计算机的硬件也可以通过网络共享。获取资源和分享资源也成为了现代人们工作和生活中的必备技能。计算机网络实现了生产效率的提升。如今, 人们可以通过网络便捷地查询、 购买商品, 商家也可以通过网络向大众推广自己的产品, 这极大地促进了社会商品的流动, 改变了传统的零售商业模式。在生产的各个环节, 网络也在控制、 协调、 任务处理等方面发挥着巨大的作用。同时, 计算机网络还改变
25、着人们的学习方式。通过网络, 每一位同学都能够方便地查找到海量的学习资料, 极大地拓展个人的视野。随着移动网络、 智能设备等技术的不断发展, 方便高效的个性化学习已成为了现实。图 1 . 4 使用手机打车软件（2 ） 计算机网络的创新发展“互联网+”以互联网为代表的计算机网络已经成为人们生活中不可或缺的一部分, 而随着技术的不断发展, 互联网开始颠覆各种传统行业, 不断超越着人们的想象。以出租车行业为例, 当移动互联网和定位技术逐步成熟后, 新的技术和应用环境逐步解决了传统出租车行业中存在的弊端, 手机打车软件以其便利和优越的服务迅速征服了用户。互联网与出租车行业的融合形成了新的商业模8华东师
26、范大学出版社第一章初识计算机网络式, 这样的创新模式如今有了专门的称谓 “ 互联网+” 。近年来, “ 互联网+” 这一话题的热度不断提升, 各行各业开始重新审视其在与互联网的互联交融中实现价值增值的种种可能性。我国制定了“ 互联网+” 战略行动计划, 推动移动互联网、 云计算、 大数据、 物联网等新兴技术与现代制造业结合, 促进电子商务、 工业互联网和互联网金融等业态的健康发展。总体而言, “ 互联网+” 代表了一种新的经济形态, 即充分发挥互联网在生产要素配置中的优化和集成作用, 将互联网的创新成果深度融合于经济社会各领域之中。知识延伸关于“互联网+”中的加号“ 互联网+ ” 聚焦于利用互
27、联网技术对传统行业形成渗透和改变。“ 互联网+ ” 所要“ 加” 的, 就是传统的各行各业。例如, 互联网“ 加” 到传统媒体行业之后, 产生了网络媒体, 对报纸、 电视、 户外广告等传统媒体业态造成了巨大冲击; 互联网“ 加” 到娱乐行业之后, 各种智能硬件设备都开始具备了和娱乐内容结合的能力, 并由此产生了在线阅读、 网络游戏、 网络直播等新的娱乐业态; 互联网“ 加” 到传统零售行业之后, 产生了电子商务和新零售等新的业态, 并促进了快递物流、 移动支付等行业的蓬勃发展, 使人们的生活变得更加便利。可以说, 每一个传统行业都孕育着“ 互联网+ ” 的机会。（3 ） 计算机网络与网络安全互
28、联网为人们带来便利的同时, 也带来了一定的信息安全隐患。网络上不时爆发的各种隐蔽、 怪异的病毒, 时刻觊觎着人们的网络设备, 从网络上接收的一些来路不明的图片、 邮件或文件, 有可能让人们的计算机系统顷刻瘫痪。在网络时代, 信息的传递速度越来越快, 信息传播成本与获取门槛越来越低, 而这也促成了虚假、错误信息的泛滥。在当今这个信息时代, 如果不对网络安全加以重视, 计算机网络就可能变利为弊, 给个人和社会带来灾难性的后果。2 0 1 6年, 我国颁布了 网络安全法 , 明确了个人和企事业单位在网络空间安全事业中的责任, 保障网络安全, 维护网络空间主权和国家安全、 社会公共利益, 使得我国经济
29、社会信息化健康发展有法可依。影响网络安全的因素很多, 其中人为的因素危害较大。要抵御这些人为的网络攻击, 大家需要具备基本的个人信息保护意识, 养成良好、 正确的网络使用习惯。此外, 大家还应了解一些基本的网络安全技术, 其中包括网络加密技术、 防火墙技术等( 详见本书第四章) 。9 华东师范大学出版社网络基础作业练习回顾通信技术与计算机网络的发展历史, 思考计算机网络对现代社会的重要影响, 尝试将各个标志性事件及其意义与价值绘制成思维导图。通信和计算机网络发展史思维导图1 0华东师范大学出版社第一章初识计算机网络第二节网络类型计算机网络是一个复杂的体系, 有着各种各样的类型。例如, 按照分布
30、范围, 网络可分为局域网和广域网; 而按照使用权属, 网络又可分为公用网和专用网。体验思考在生活中经常会遇到互联网、 局域网、 校园网等带有“ 网” 字的词汇, 其中, 大部分的“ 网” 都指代了某种网络。要正确区分不同的“ 网” , 我们就需要对网络的主要类型加以了解。思考：计算机网络有哪些主要的网络类型? 各种类型的网络分别具有什么特征?一、 局域网与广域网按照网络的分布范围, 网络可以被主要划分为局域网和广域网。1 . 局域网局域网(l o c a l a r e a n e t w o r k, 简称L A N) 是在较小范围内组建的网络, 比较适合家庭、 学校、 企业、 政府机构等单
31、位和组织构建内部互联互通的计算机网络。例如, 许多学校的校园网就是一种局域网, 企业内部搭建的企业网也是一种局域网( 如图1 . 5所示) 。图 1 . 5 局域网模式图1 1 华东师范大学出版社网络基础2 . 广域网广域网(w i d e a r e a n e t w o r k, 简称WA N) 的覆盖范围从几十公里到几千公里, 可能覆盖一个省, 一个国家, 几大洲甚至全球( 如图1 . 6所示) 。互联网就是一种广域网。广域网本身也可能是由另一些局域网或广域网组成的多级网络。图 1 . 6 广域网模式图知识延伸城域网此外, 有些文献中也会把城域网( me t r o p o li t
32、a n a r e a n e t w o r k , 简称 M A N) 作为一种独立的网络类型来分类。城域网的覆盖范围大于局域网, 它能够覆盖一座大城市的地理范围。城域网可以将位于同一城市内不同地点的计算机设备, 以及多个局域网互相连接起来。城域网的传输媒介主要为光纤, 其传输速率通常在 10 0M b p s ( 兆比特/ 秒) 以上。二、 公用网和专用网按网络的使用权属, 网络可以被划分为公用网和专用网。1 . 公用网公用网又被称为公共数据网, 顾名思义, 是为大众所用, 向所有人提供服务的网络。例如, 人们在家中较常使用的中国电信网络1 2华东师范大学出版社第一章初识计算机网络C h
33、 i n a N e t, 就是一种公用网。2 . 专用网与公用网相对应的是专用网。专用网可以被理解为某些特定群体内部使用的网络, 也可以被通俗地称为“ 内部网” 。例如, 某个学校的校园网就是一种专用网, 因为通常学校之外的人群是无法访问这一网络的。实际上, 大部分局域网都可以被视为专用网。而一些军事、运输、 金融等领域的网络由于覆盖范围较大, 同时有着较强的保密和内部使用属性, 虽然其为广域网, 但也同样是专用网。项目实践科考队员们四散在星球各处, 建设了许多居住点。有的居住点相距很近, 聚集到了一起, 形成小型的社区。而有的居住点则相距遥远。此外, 医生、 建筑师、 农业专家等各行业人员
34、还对网络的专用性提出了一定要求。网络工程师面对这种复杂的情况该如何应对呢? 如果你是一名网络工程师, 面对以下情境, 你会如何选择对应的网络类型呢? 请将答案填写在表 1. 1中。表 1 . 1 根据情境选择网络类型情境描述你所选择的网络类型在一平方公里的范围内有一些居住点, 其中的科考队员们希望通过网络共享资料相隔数千公里的居住点中的科考队员们希望能够通过网络视频互相联系科考队中的医生们希望共享病人数据, 但不希望这些信息公开给其他人科考队中的记者希望将新闻及时发布到网络上, 使得所有人都能及时了解星球上发生的最新事件1 3 华东师范大学出版社网络基础第三节计算机网络中的协议与分层结构在本节
35、中, 我们将学习和了解计算机网络中的一些关键性的专有名词, 如协议、 层等。本节的学习将为我们在后续章节深入了解计算机网络世界打下基础。体验思考网络中随时随地在传输大量的数据, 如果把这些数据看作现实生活中的“ 货物” 的话, 这绝对是一件匪夷所思的奇迹 在庞大的传输体系下, 所有的传输过程看上去都井井有条。这是怎么实现的呢? 在这里, 网络中的协议和层都起到了重要的作用。思考：你知道计算机网络的结构分为哪几层吗? 为什么人们需要将计算机网络划分为不同的层? 生活中又有哪些与计算机网络中的分层结构类似的事物?一、 计算机网络中的协议在计算机网络与信息通信领域里, 最常见的一个词可能就是“ 协议
36、” 。网 际 协 议 (i n t e r n e t p r o t o c o l,简 称I P) 、传 输 控 制 协 议(t r a n s m i s s i o n c o n t r o l p r o t o c o l,简 称T C P) 、超 文 本 传 输 协 议(h y p e r t e x t t r a n s f e r p r o t o c o l, 简称HT T P) 等都是互联网中常用的、 具有代表性的协议。那么, 在计算机网络的世界里, 协议的意义和作用是什么? 为什么计算机网络需要协议呢?图 1 . 7 人与人交流的“ 协议”1 . 生活中的协议在现
37、实生活中, 若你想要向他人询问时间, 你会怎样做呢?按照人与人沟通的“ 协议” , 询问的一方应该首先问候对方“ 你好”( 如图1 . 7所示) , 从而有礼貌地开始对话( 在计算机网络中, 这样的信息被称为一条“ 报文” ) 。如果被询问者也回答一个“ 你好” , 这就表示对话可以继续进行下去, 发话者能够继续询问时间了( 在计算机网络中, 我们将前一个“ 你好” 视为“ 发送报文” , 后一个“ 你好” 视为“ 应答报文” ) 。而如果被询问者回答的是“ 我现在正忙” , 或是“I c a n t s p e a k C h i n e s e” , 那么按照人与人沟通的“ 协议” , 发
38、话者就不能继续询问时间了。此外, 问候的结果也可能是根本得不到任何回答, 此时, 发话者1 4华东师范大学出版社第一章初识计算机网络通常会放弃向对方继续询问。在这个例子中, 发送和应答的报文, 以及相关事件出现时所采取的动作( 例如在某个给定的时间内对方没有回答) , 都在人与人的沟通中起到了核心作用。如果人们使用不同的“ 协议” , 例如, 一个人说汉语, 而另一人说英语, 或一个人明白“ 时间” 这个概念, 而另一人却不知道, 那么双方很可能就无法有效交流, 因而不能实现“ 询问时间” 这样的目标。2 . 计算机网络中的协议在网络中, 这个道理同样成立。为了完成一次通信, 两个( 或多个)
39、 通信实体都要使用相同的协议。这里的“ 通信实体” 指的是网络中的硬件设备或软件组件, 可以是计算机, 也可以是交换机、 路由器等用于网络通信的设备, 还可以是运行在这些设备上的程序或软件。在互联网中, 凡是涉及两个或多个远程通信实体的所有活动都受到协议的制约。协议就是计算机与计算机之间通过网络实现通信时事先达成的一种“ 约定” 。这种“ 约定” 使那些由不同厂商生产的设备及不同的操作系统组成的计算机之间, 只要遵循相同的协议就能够实现通信。反之, 如果所使用的协议不同, 就无法实现通信。这就好比两个人使用两种不同的语言交流, 就无法相互理解一样。图 1 . 8 计算机网络协议以一个最常见的浏
40、览网页行为为例。当你在网页浏览器中键入一个网址, 并按下回车键时, 你的计算机就会向一台远程计算机( 被称为“ 服务器” , 详见第三章) 发出浏览网页的请求。首先, 你的计算机向该服务器发送一条连接请求报文, 并等待回答, 这类似于人与人之间问候“ 你好” 。该服务器接收到连接请求报文, 并返回一条连接响应报文, 表明自己愿意和你的计算机通信。接收到连接响应报文后, 你的计算机会再发送一条请求报文来请求网页。最后, 服务器向计算机返回网页内容( 如图1 . 8所示) 。 通过以上例子可以发现, 一个协议包含了在两个或多个通信实体之间交换的报文格式、 次序, 以及处理报文时所采取的动作。互联网
41、广泛地使用了各类协议, 不同的协议用于完成不同的通信任务。本书在后续章节中将进一步讨论各种协议。二、 计算机网络中的分层结构计算机网络是一个非常复杂的系统, 在这一庞大的系统中, 不同类型的计算机之间要相互连接, 还要运行不同的应用程序和协议, 要1 5 华东师范大学出版社网络基础能够高效、 准确地传输数据, 并不是那么容易的事情。试想, 在亚马逊丛林里居住的土著人, 和在太平洋的海岛上悠闲度假的游客, 无论是在地理位置、 语言上, 还是对世界的理解方式上, 都存在着巨大的差异, 他们之间的沟通无疑具有巨大的鸿沟。那么, 如何才能使这样一种异常复杂的系统高效通信、 有效运行呢?1 . 层次化的
42、网络协议体系模型是现实世界中人们对事物、 规律的合理简化。计算机网络的设计者采用了分层结构的方法来组织网络中各种协议, 以及运行这些协议所必需的网络硬件和软件。在实际应用中, 我们通常将计算机网络体系自上而下地分为五个层, 分别是应用层、 传输层、 网络层、 数据链路层和物理层。它们有机结合, 共同构成了一种有序的网络传输体系。每个层的主要作用如下:应用层: 主要负责通过应用进程( 详见第三章) 间的交互来完成特定网络应用。应用层交互的数据单元称为报文(m e s s a g e) 。传输层: 主要为应用进程之间提供端到端的逻辑通信。传输层提供通用的数据传输服务来传送应用层的报文。在该层中数据
43、传输单位有两种, 分别是报文段(s e g m e n t) 和用户数据报(u s e r d a t a g r a m) 。网络层: 主要负责确定数据最佳的传输路径。在发送数据时, 网络层把传输层产生的报文段或用户数据报封装成分组或包(p a c k e t) 进行传送。网络层中传送的数据单元可被称为I P数据报, 或简称数据报( 对于网络层传送的数据单元, 也有些书中笼统地用“ 分组” 来表示) 。数据链路层: 主要负责相邻结点之间的通信传输。数据链路层将网络层的数据封装成帧(f r a m e) , 并在两个相邻结点间的链路上传送帧。物理层: 主要负责比特流的传送。包括规定用多大的电压
44、代表“1” 或“0” , 以及接收方如何识别发送方所发送的比特, 连接电缆的接头应该有多少根引脚, 各引脚应如何连接等。分层体系结构中的数据的传输过程可以采用如图1 . 9所示的理想化场景描述。假定小林和小明这两位同学的电脑是通过网线直接相连的, 当小林通过聊天软件向小明发送一段消息时, 小林电脑上的聊天软件通过应用层在该数据之前加上必要的控制信息H 5( 首部) 形成应用层报文, 再将该报文交给传输层。传输层加上本层的控制信息(H 4) 后, 再交给网络层。网络层加上本层的控制信息(H 3) , 再交给数据链路层。数据链路层的控制信息被分成两部分, 分别加到数据单元的首部(H 2) 和尾部(
45、T 2) 。物理层则以比特流的方式, 从数据链路1 6华东师范大学出版社第一章初识计算机网络图 1 . 9 数据在各层之间的传输过程层首部开始传送以上的数据单元。当这一比特流到达小明的电脑时,再从物理层依次向上传递, 每一层均根据本层的控制信息进行必要的操作, 然后将控制信息剥去, 将该层剩下的数据单元上交给更高层。最后, 小明电脑中的聊天软件解析应用层报文中的数据, 并呈现在计算机屏幕上, 小明就能够看到小林发送过来的消息了。知识延伸协议数据单元计算机网络中有很多看起来很相似的表述, 如报文、 包、 帧、 数据包、 数据报、 数据段、 消息等。为了明确这些概念, 本书中它们的定义如下: 我们
46、用“ 数据包” ( 同义词为包或分组, 源自英文 p a c k e t ) 表示通过网络传输的格式化数据单位。在 TCP/ I P 协议中, 每个数据包在不同的层之间传输的时候, 会按照各层的协议数据单元格式进行封装。自上而下, 数据通过“ 报文” ( me s s a g e ) 在应用层之间传输, 而当“ 报文” 通过TCP 传输时, 它被封装为传输层“ 段” ( s e g me n t ) , 当通过 U DP 传输时, “ 报文” 被封装为传输层“ 用户数据报” ( u s e r d a t a g r a m) 。传输层的“ 段” 或“ 用户数据报” 进一步被封装为“ 数据报”
47、 ( d a t a g r a m) 通过网络层传输,在数据链路层, 数据报封装为“ 帧” ( f r a me ) , 继而通过物理层转化为比特流, 传输到网络中的下一个节点。这些名词和概念, 我们在后续章节中还能看到很多次。2 . 分层体系结构的作用和优点计算机网络的分层体系结构是一个有效的协作体系, 每个层都接受由它下一层所提供的特定服务, 并且负责为自己的上一层提供特定的服 务。分 层 体 系 结 构 中 还 存 在 “ 接 口 (i n t e r f a c e) ”和 “ 协 议(p r o t o c o l) ” 这两个术语, 前者是指上下层之间进行交互时所遵循的约定, 后
48、者是指同一层的对等通信实体之间的交互所遵循的约定。前文1 7 华东师范大学出版社网络基础“ 烽火狼烟” 中提到的烽火台之间的信号就是一种“ 协议” 。在通信过程中, 数据从发送方到达接收方的过程也就是各个层共同协作的过程。当发送方发送数据的时候, 从应用层开始, 每一层对数据进行该层的相应处理, 然后转交给下一层, 直到物理层进行数据传输, 然后, 当接收方接收数据的时候, 则从下往上对每一层进行数据处理, 这样就能获取发送方的原始内容。计算机网络中的通信需要首先确保数据传输的可靠性, 这就像生活中给朋友写信, 我们要确保信件经过千山万水、 长途跋涉后, 能够顺利到达朋友手中, 而不是半路丢失
49、或去了陌生人手里。而层模型则通过数据链路层和网络层的“ 点到点” 和传输层的“ 端到端” 保证了数据传输的可靠性。其中, “ 端到端” 通信指的是在数据传输前, 在数据的发送端到接收端之间建立起一条连接, 而忽略掉跨越其间的各种各样的交换设备。一旦这样的连接建立后, 发送端就可以开始发送数据, 直至数据发送完毕, 接收端确认接收成功。“ 点到点” 通信指的是发送端把数据传给与它直接相连的设备, 这台设备在合适的时候又把数据传给与之直接相连的下一台设备, 通过一台一台直接相连的设备, 把数据传到接收端。使用分层体系结构的优点在于可以最大限度地减少网络传输的复杂性。各种协议应用在不同的层, 分别担
50、负起不同的职能, 界定了各个分层的具体责任和义务。各层可以灵活地实现自己的功能, 只要满足上层对下层的要求即可。各个分层也是独立的, 对一个层的改动不会影响其他的层。这样, 就构建起了一个兼具扩展性和灵活性的系统。项目实践在星球建设初期, 通信网络还没有完全建设好, 科考队员们在工作中达成了一些关于交流的约定。例如, 当一位队员要向前方的另一位队员询问前方的情况时, 他会用手电筒快速闪烁两次, 表示“ 你好” 。当前方的队员也回以两次快速闪烁时, 表示可以继续通信。通信发起者可以再以手电筒“ 三长一短” 的方式闪烁, 表示“ 前方安全吗?” 如果前方队员回以一次快速闪烁, 表明“ 前方安全”
